インダクタンスと静電容量の違い

インダクタンスとキャパシタンスは、RLC回路の2大特徴である。波形発生器では、誘導性フィルタと容量性フィルタがそれぞれ一般的に使用されています。インダクタンスと静電容量の大きな違いは、インダクタンスは電流を流す導体の周囲に磁界を発生させる特性、静電容量は電荷を保持・蓄積するデバイスの特性であることだ。

目次1. 概要と主な違い2. 誘導とは3. 容量とは4. 並べて比較 - インダクタ vs コンデンサ5. まとめ

インダクタンスは何ですか？

インダクタンスとは、「電流の変化により、導体自体に電位が発生する導体の特性」である。コアに銅線を巻き、コイルの両端を電池の端子に当てると、コイルアセンブリが磁石になる。この現象は、インダクタンスの特性により発生します。

インダクタンス理論

電流を流す導体のインダクタンスの挙動や特性を説明する理論はいくつかある。物理学者ハンス・クリスチャン・オルステッドが考案した理論で、導体に一定の電流Iを流すと導体の周りに磁場Bが発生し、電流が変化すると磁場も変化するというもの。電流が観測者から離れると、磁界の方向は時計回りになる。

図01：オスターの法則

ファラデーの誘導の法則によれば、変化する磁界は近くの導体に電位（EMF）を発生させる。この磁場の変化は、導体に対する相対的なものであり、すなわち磁場が変化することもあれば、導体が安定した磁場を通過することもあるのである。これがジェネレーターの最も基本的なベースです。

3つ目の理論は、「導体に発生する電位は磁場と反対方向に変化する」というレンツの法則である。例えば、磁場の中に針金を置き、磁場が減少すると、ファラデーの法則により導体に電位が誘導され、誘導電流が減少する磁場をその方向に立て直すことになります。印加磁界dφが変化すると、電位（ε）は反対方向に誘導される。これらの説は、多くの理論によって確認されています。このように導体に電位が誘導されることをコイルにおける自己インダクタンスといい、コイルに流れる電流が変化すると、すぐ近くにある別の導体にも電流を発生させることができる。これを相互インダクタンスという。

ε = -dφ/dt

ここで、磁界の向きが反対になっているのは、磁界が変化していることを表しています。

インダクタンス単位とその応用

インダクタンスは、誘導を独自に発見したジョセフ・ヘンリーの名を冠した国際単位系であるヘンリー（H）単位で測定されます。インダクタンスは回路中のLenzにちなんで名づけられた。

誘導は、古典的な電気ベルから現代の無線電力伝送技術に至るまで、多くのイノベーションの基本原理となっている。冒頭で述べたように、銅コイルの磁化は、電気ベルやリレーに利用されている。リレーは、非常に小さな電流の磁化コイルで大電流スイッチの極を引き付けて使用する。また、トリップスイッチやRCCB（Residual Current Circuit Breaker）などもその一例です。そこで、電源のライブ線とニュートラル線は、同じコアを共有する別々のコイルを通過する。正常な状態では、ライブとニュートラルの電流は同じなので、システムはバランスしています。家庭内回路で漏電が発生した場合、2つのコイルに流れる電流が異なるため、共有コアに偏った磁界が発生します。その結果、スイッチレバーがコアに引き寄せられ、回路が突然遮断される。また、変圧器、無線識別システム、ワイヤレス充電方式、IHコンロなどを例示することができる。

また、インダクタは電流の急激な変化を嫌う。そのため、高周波の信号はインダクタを通過せず、ゆっくり変化する成分のみが通過することになる。この現象は、ローパスアナログフィルタの回路設計に利用されている。

静電容量（キャパシタンス）は何ですか？

電気容量は、電荷を保持する能力を測定するために使用されます。基本的なコンデンサは、2層の金属膜とその間に挟まれた誘電体材料から構成されている。2枚の金属板に一定の電圧をかけると、反対の電荷が蓄えられる。これらの電荷は、電圧が遮断されても存在する。さらに、充電されたコンデンサをつなぐ2枚のプレートの間に抵抗Rを入れると、コンデンサは放電する。デバイスの静電容量Cは、デバイスが保持する電荷（Q）と、それを充電するための印加電圧vの比として定義される。静電容量はファラド(F)の単位で表わされます。

C=Q/v

コンデンサーの充電にかかる時間は、時定数R×Cで測定します。ここで、Rは充電経路に沿った抵抗値である。時定数は、コンデンサを最大容量の63%まで充電するのにかかる時間です。

静電容量特性およびアプリケーション

コンデンサは定電流に反応しない。コンデンサを充電すると、満充電になるまではコンデンサに流れる電流が変化するが、それ以降は電流が流れなくなる。これは、金属板の間にある誘電体層が、コンデンサを「遮断スイッチ」にしているからだ。しかし、コンデンサーは変化する電流に反応する。交流と同様に、交流電圧の変化でコンデンサをさらに充電・放電させることができ、交流電圧の「スイッチ」となります。この効果は、ハイパスアナログフィルタの設計に利用されます。

また、静電容量にはマイナスの効果があります。前述したように、導体中の電流を運ぶ電荷は、互いに、あるいは近くの物体との間でキャパシタンスを形成する。この効果を浮遊容量といいます。送電線では、線路間、線路と大地、支持構造物などの間に浮遊容量が発生する。大電流が流れるため、これらの浮遊容量効果は送電線の電力損失に大きな影響を与える。

図02: 平行平板コンデンサ

インダクタンスと静電容量の違い

概要 - インダクタンス vs. 静電容量

インダクタンスとキャパシタンスは、2つの異なる電気部品の特性である。インダクタンスは電流を流す導体が持つ磁界を発生させる性質、静電容量は電荷を保持する能力を示す指標である。この2つの特性は、さまざまな用途で使用される基礎となるものです。しかし、電力損失の面ではデメリットにもなってしまう。電流の変化に対するインダクタンスとキャパシタンスの応答は、逆の挙動を示す。ゆっくり変化する交流電圧を通すインダクタと違い、コンデンサは低周波の電圧を通すと遮断される。これがインダクターとコンデンサーの違いです。

参考文献：1.Sears, F.W. and Zemansky, M.W. (1964).シカゴ大学 物理学2 キャパシタンス(n.d.). http://www.phy**ot.co.jp/capacity.html3 から2017年5月30日に取得。電磁誘導。(2017, 5月 3).2017年5月30日 https://en より取得。 *****.org/wiki/electromic_induction#faraday.27s_induction